سیاهچاله‌ها چطور کار می‌کنند؟

5/5 - (1 امتیاز)

شاید شنیده باشید که یکی می‌گوید: “میز من تبدیل به سیاه چاله شده!”. ممکن است یک برنامه نجومی را در تلویزیون دیده باشید یا مقاله‌ای در مجله‌ای در مورد سیاهچاله‌ها خوانده باشید. این‌اشیاء عجیب و غریب از زمانی که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین در سال ۱۹۱۵ پیش‌بینی شدند، تخیل ما را به خود جلب کرده‌اند.

سیاهچاله‌ها چیستند؟ آیا آن‌ها واقعاً وجود دارند؟ چگونه می‌توانیم آن‌ها را پیدا کنیم؟ در این مقاله به بررسی سیاهچاله‌ها می‌پردازیم و به تمامی این سؤالات پاسخ می‌دهیم!

شکل1- مدل مفهومی از همسایگی نزدیک سیاهچاله در هسته کهکشانNGC 4261 . منبع: PHOTO COURTESY NASA/SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE (J. GITLIN, ARTIST)
سیاهچاله چیست؟

سیاهچاله‌های جرم ستاره‌ای، زمانی تشکیل می‌شوند که ستاره‌های پرجرم می‌میرند.

اگر مقاله ستاره‌ها چگونه کار می‌کنند را خوانده باشید، می‌دانید که ستاره یک راکتور همجوشی عظیم و شگفت‌انگیز است. از آنجایی که ستارگان، بسیار پرجرم هستند و از ابر‌های گازی ساخته شده‌اند، گرانش شدید خود آن‌ها، همیشه سعی در فروپاشی آن‌ها دارد.

واکنش‌های همجوشی که در هسته اتفاق می‌افتد مانند یک بمب همجوشی غول‌پیکر است که در تلاش است ستاره را منفجر کند. تعادل بین نیرو‌های گرانشی (ravitational forces) و نیرو‌های انفجاری (explosive forces) همان چیزی است که اندازه ستاره را مشخص می‌کند.

شکل2- مدل مفهومی یک سیاهچاله غول پیکر: فلش‌ها مسیر اجرام عظیم را در داخل و اطراف دهانه سیاهچاله نشان می‌دهند. منبع: PHOTO COURTESY NASA

با مرگ ستاره، واکنش‌های همجوشی هسته‌ای متوقف می‌شود زیرا تمام سوخت آن‌ها می‌سوزد. در همان زمان، گرانش ستاره در حال مرگ، مواد را به داخل می‌کشد و هسته را فشرده می‌کند. همانطور که هسته فشرده می‌شود، گرم می‌شود و در نهایت یک انفجار ابرنواختری (supernova explosion) (انفجار عظیم و درخشان ستاره‌ای را گویند- مترجم) ایجاد می‌کند که در آن مواد و تشعشعات به فضا منفجر می‌شوند.

آنچه باقی می‌ماند، هسته بسیار فشرده و بسیار عظیم است. گرانش هسته آنقدر قوی است که حتی امواج نور نیز نمی‌توانند از آن فرار کنند.

این جرم، اکنون یک سیاهچاله جرم ستاره‌ای است و به معنای واقعی کلمه از دید ناپدید می‌شود. از آنجایی که گرانش سیاهچاله ستاره‌ای بسیار قوی است، هسته در بافت (تار و پود) فضا-زمان فرو می‌رود و حفره‌ای در آن ایجاد می‌کند – به همین دلیل است که این جسم را سیاه‌چاله می‌گویند.

تاریخ و نظریه

مفهوم جسمی که نور نمی‌تواند از آن فرار کند (سیاه چاله) در ابتدا توسط پیر سیمون لاپلاس (Pierre Simon Laplace) در سال ۱۷۹۵ میلادی پیشنهاد شد.

لاپلاس با استفاده از نظریه گرانش نیوتن محاسبه کرد که اگر جسمی به شعاع کوچکی فشرده شود، سرعت فرار آن جسم از سرعت نور بیشتر خواهد بود.


افق رویداد

هسته ستاره سابق به قسمت مرکزی سیاهچاله موسوم به تکینگی (singularity) تبدیل می‌شود. به حفره موجود در سیاهچاله، افق رویداد (event horizon) می‌گویند.

شما می‌توانید افق رویداد را دهان سیاهچاله در نظر بگیرید. هنگامی که چیزی از افق رویداد عبور می‌کند، برای همیشه از بین می‌رود. هنگامی که در افق رویداد قرار می‌گیریم، همه «رویدادها» (یعنی نقاطی در فضا-زمان) متوقف می‌شوند و هیچ چیز (حتی نور) نمی‌تواند فرار کند.

شعاع افق رویداد را شعاع شوارتزشیلد می‌نامند که به افتخار ستاره‌شناس کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild)، که کار او منجر به نظریه سیاه‌چاله‌ها شد، نام‌گذاری شده است.

انواع سیاهچاله‌ها

دو نوع سیاهچاله وجود دارد:

  • شوارتزشیلد: سیاهچاله غیر چرخشی
  • کر (Kerr): سیاهچاله در حال چرخش

سیاهچاله شوارتزشیلد ساده‌ترین سیاهچاله است که هسته آن نمی‌چرخد. این نوع سیاهچاله فقط دارای یک تکینگی و افق رویداد است.
سیاهچاله کر، که احتمالاً رایج‌ترین شکل در طبیعت است، می‌چرخد زیرا ستاره‌ای که از آن شکل گرفته در حال چرخش بوده است. هنگامی که ستاره در حال چرخش فرو می‌ریزد، هسته به چرخش خود ادامه می‌دهد و این چرخش به سیاهچاله هم منتقل می‌شود (حفظ حرکت زاویه‌ای). سیاهچاله کر دارای قسمت‌های زیر است:

شکل3- مدل مفهومی سیاهچاله و محیط اطراف آن: دایره سیاه شده افق رویداد است و منطقه تخم مرغی شکل ارگوسفر است.
  • تکینگی: هسته فرو ریخته
  • افق رویداد: بازشدگی یا دهانه سیاهچاله
  • ارگوسفر (Ergosphere): منطقه‌ای تخم مرغی شکل از فضای اعوجاج‌یافته در اطراف افق رویداد (این اعوجاج ناشی از چرخش سیاهچاله است که فضای اطراف آن را “می‌کشد”. )
  • حد استاتیک (Static limit): مرز بین ارگوسفر و فضای عادی

اگر جسمی وارد ارگوسفر شود، باز هم می‌تواند با به دست آوردن انرژی از چرخش سیاهچاله، از سیاهچاله خارج شود.

با این حال، اگر جسمی از افق رویداد عبور کند، به درون سیاهچاله مکیده می‌شود و هرگز فرار نمی‌کند. آنچه در داخل سیاهچاله اتفاق می‌افتد ناشناخته است. حتی نظریه‌های فعلی فیزیک ما در مجاورت یک تکینگی کاربرد ندارند.

اگرچه ما نمی‌توانیم سیاه‌چاله را ببینیم، اما سه ویژگی دارد که می‌توان یا شاید بتوان آن را اندازه‌گیری کرد:

  • جرم
  • بار الکتریکی
  • سرعت چرخش (تکانه زاویه‌ای)

در حال حاضر، ما فقط می‌توانیم جرم سیاهچاله را با حرکت سایر اجرام در اطراف آن به طور قابل اعتماد اندازه‌گیری کنیم. اگر یک سیاهچاله، همراهی (ستاره‌های نزدیک یا قرص‌های از مواد) داشته باشد، می‌توان شعاع چرخش یا سرعت مدار آن مواد یا اجرام را به دور سیاهچاله ناپیدا اندازه‌گیری کرد. جرم سیاهچاله را می‌توان با استفاده از قانون سوم کپلر (Kepler’s Modified Third Law of Planetary Motion) یا حرکت چرخشی (rotational motion) محاسبه کرد.

چگونه سیاهچاله‌ها را تشخیص می‌دهیم؟

اگرچه ما نمی‌توانیم سیاه‌چاله‌ها را ببینیم، اما می‌توانیم با اندازه‌گیری تأثیرات آن بر روی اجسام اطراف آن، وجود آن را تشخیص دهیم یا حدس بزنیم:

  • تخمین جرم از اجسامی که به دور سیاهچاله می‌چرخند یا مارپیچی که به درون هسته سیاهچاله می‌چرخد.
  • اثرات لنز گرانشی
  • تشعشعات ساطع شده

جرم
بسیاری از سیاهچاله‌های ستاره‌ای، ‌اشیایی در اطراف خود دارند و با نگاه کردن به رفتار این اجرام می‌توانید وجود سیاهچاله را تشخیص دهید. سپس از اندازه‌گیری حرکت اجسام در اطراف سیاهچاله مشکوک، برای محاسبه جرم سیاهچاله استفاده می‌کنید.

شکل4- تصویر مستقیم تلسکوپ فضایی هابل از هسته کهکشان NGC4261. منبع: PHOTO COURTESY NASA/SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE CREDIT: L. FERRARESE (JOHNS HOPKINS UNIVERSITY) AND NASA

چیزی که شما به دنبال آن هستید ستاره یا دیسکی از گاز است که طوری رفتار می‌کند که گویی توده بزرگی در نزدیکی آن وجود دارد. به عنوان مثال، اگر یک ستاره یا قرص گازی مرئی، دارای حرکت “تلوکانی (تلو تلو خوردن- مترجم)” یا مارپیچی باشد و دلیل قابل مشاهده‌ای برای این حرکت وجود نداشته باشد، و دلیل نامرئی این حرکت اثری داشته باشد که به نظر برسد ناشی از جسمی با جرمی بیشتر از سه خورشید باشد (بزرگتر از آن که یک ستاره نوترونی باشد)، پس این امکان وجود دارد که یک سیاهچاله باعث حرکت شده باشد.

سپس جرم سیاهچاله را با نگاه کردن به تأثیری که روی جسم مرئی می‌گذارد، تخمین می‌زنید.

به عنوان مثال، در هسته کهکشان NGC 4261 ، یک صفحه قهوه‌ای مارپیچی شکل وجود دارد که در حال چرخش است. این قرص تقریباً به اندازه منظومه شمسی ما است، اما جرم آن بسیار بیشتر از جرم خورشید است. چنین جرم عظیمی برای یک دیسک ممکن است نشان دهنده وجود سیاهچاله در دل دیسک باشد.

لنز گرانشی

نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی کرد که گرانش می‌تواند فضا را خم کند. این موضوع، بعداً در طی یک خورشیدگرفتگی یعنی زمانی که موقعیت یک ستاره قبل، حین و بعد از خورشیدگرفتگی اندازه‌گیری شد، تأیید شد.

موقعیت ستاره تغییر کرد زیرا نور ستاره توسط گرانش خورشید خم شد. بنابراین، جسمی با گرانش بسیار زیاد (مثل یک کهکشان یا سیاه‌چاله) بین زمین و یک جسم دور، می‌تواند نور جسم دور را به کانونی بسیار شبیه به یک لنز تبدیل کند. این اثر در تصویر زیر قابل مشاهده است.

در تصویر، روشن شدن MACHO-96-BL5 زمانی اتفاق افتاد که یک لنز گرانشی بین آن و زمین عبور کرد. هنگامی که تلسکوپ فضایی هابل به این جسم نگاه کرد، دو تصویر از این جرم را نزدیک به هم دید که نشان دهنده اثر لنز گرانشی بود.
جسم واسط دیده نشد. بنابراین دانشمندان به این نتیجه رسیدند که یک سیاهچاله بین زمین و آن جسم عبور کرده است.

تشعشعات ساطع‌شده

وقتی مواد از یک ستاره مجاور، به درون سیاهچاله می‌افتند، تا میلیون‌ها درجه کلوین گرم می‌شود و شتاب می‌گیرد. این مواد فوق گرم پرتو‌های ایکس ساطع می‌کنند که می‌تواند توسط تلسکوپ‌های اشعه ایکس مانند رصدخانه اشعه ایکس چاندرا که در مدار می‌چرخد، شناسایی شود.

شکل5- این تصاویر روشن شدن MACHO-96-BL5 را از تلسکوپ‌های زمینی (سمت چپ) و تلسکوپ فضایی هابل (سمت راست) نشان می‌دهد. منبع: PHOTO COURTESY NASA/SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE CREDIT: NASA AND DAVE BENNETT (UNIVERSITY OF NOTRE DAME)

ستاره Cygnus X-1 یک منبع پرتو ایکس قوی است و کاندیدای خوبی برای سیاهچاله محسوب می‌شود. باد‌های ستاره‌ای از ستاره مجاورش موسوم بهHDE 226868 ، مواد را روی قرص برافزایشی اطراف سیاه‌چاله می‌دمند. وقتی این مواد به درون سیاهچاله می‌افتند، اشعه ایکس از خود ساطع می‌کنند.

علاوه بر اشعه ایکس، سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر نیز می‌توانند مواد را با سرعت بالا به بیرون پرتاب کنند و فواره‌ها یا جت‌هایی تشکیل دهند. بسیاری از کهکشان‌های دور با چنین جت‌هایی مشاهده شده‌اند.

در حال حاضر، دانشمندان فکر می‌کنند که این کهکشان‌ها دارای سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم (میلیارد‌ها برابر جرم خورشید) در مرکز خود هستند که جت‌ها و همچنین انتشارات رادیویی قوی را تولید می‌کنند. یکی از نمونه‌های اینگونه کهکشان‌های میزبان با سیاه‌چاله‌ی بسیار پرجرم M87 است.

مهم است که به یاد داشته باشید که چنین سیاهچاله‌هایی جاروبرقی کیهانی نیستند چرا که آن‌ها همه چیز را مصرف نمی‌کنند. بنابراین اگرچه ما نمی‌توانیم سیاهچاله‌های عظیم را ببینیم، شواهد غیرمستقیمی برای وجود آن‌ها وجود دارد. آن‌ها با سفر در زمان و کرم‌چاله‌ها مرتبط بوده‌اند و اجرام جذابی در جهان باقی مانده‌اند.

شکل6- تصویر پرتو ایکس Cygnus X-1 از رصدخانه پرتو ایکس چاندرا در حال چرخش گرفته شده است. منبع: PHOTO COURTESY NASA/CXC
سؤالات متداول سیاهچاله

سیاهچاله‌ها از چه چیزی ساخته شده‌اند؟

یک سیاهچاله ستاره‌ای زمانی شکل می‌گیرد که یک ستاره پرجرم بمیرد و ماده آن در فضایی فوق‌العاده کوچک به هم فشرده شود.

چند سیاهچاله وجود دارد؟

دانشمندان تخمین می‌زنند که تنها در کهکشان راه شیری ما، بین ۱۰ میلیون تا یک میلیارد سیاهچاله وجود دارد.

رایج‌ترین نوع سیاهچاله چیست؟

سیاهچاله کر احتمالاً رایج‌ترین سیاهچاله در طبیعت است.

سیاهچاله‌ها به کجا منتهی می‌شوند؟

اگر یک جسم عظیم از افق رویداد عبور کند، به درون سیاهچاله مکیده می‌شود و هرگز فرار نمی‌کند. آنچه در داخل سیاهچاله اتفاق می‌افتد ناشناخته است. حتی نظریه‌های فعلی فیزیک ما در مجاورت یک تکینگی کاربرد ندارند.

دو نوع سیاهچاله چیست؟

دو نوع سیاهچاله عبارتند از شوارتزشیلد (سیاهچاله‌های غیر چرخان) و کر (سیاهچاله‌های چرخان).

نویسنده: Craig Freudenrich, Ph.D.

مترجم: فؤاد پورفائز

منبع: howstuffworks.com

این مطلب را به اشتراک بگذارید:

اشتراک در
اطلاع از
guest
0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
مشاهده همه دیدگاه ها